【背景介绍】

为了满足可穿戴和便携式电子产品不断增长的需求，微型储能装置由于重量轻，薄型化，并且具有出色的灵活性，低成本的可扩展性和高能量密度而引起了人们的高度关注。使用石墨烯和其他2D纳米片的高能微超级电容器（MSCs）的合理设计和简化制造对于灵活和集成的电子元件具有重要价值。

【成果简介】

近日，来自中科院大连化学物理研究所的吴忠帅研究员和沈阳金属研究所的任文才研究员（共同通讯）等人基于堆叠高品质磷光纳米片和离子液体电解质中电化学剥离的石墨烯的叉指混合电极（PG）图案，开发了一步掩模辅助简化的高能MSCs（PG-MSCs）制造方法。具有叉指图案的混合PG膜通过定制的叉指式掩模的辅助，通过逐层沉积磷光和石墨烯纳米片直接制造，并直接转移到柔性基底上。所得到的图案化PG膜具有突出的均匀性，柔韧性，导电性（319Scm-1）和结构整合，其可以直接用作MSC的粘合剂和无添加剂的柔性电极。值得注意的是，PG-MSCs具有11.6 mWh cm-3的显著能量密度，超过大多数基于碳纳米碳的MSCs。该研究成果以“One-Step Device Fabrication of Phosphorene and Graphene Interdigital Micro-Supercapacitors with High Energy Density”为题发表在ACS Nano上。

【图文导读】

图1 掩模辅助简化PG-MSCs的制造

（a-e）PG-MSC的制造示意图：（a）石墨烯和磷脂油墨的合成; （b）在叉指掩护物的辅助下，依次逐步过滤石墨烯和磷化烯; （c）将PG杂化膜干燥转移到PET基材上; （d）剥离PTFE膜，滴铸电解液和器件封装; （e）串联连接的MSC设备的集成

（f）9个串联的PG-MSCs的图片

（g）在高折叠状态下PG指数电极的灵活性和稳定性演示

图2 磷光和PG膜的表征

（a-c）a）磷光体的TEM和（b，c）HRTEM图像

（d，e）（d） 磷硅烯纳米片的AFM图像和（e）在硅晶片上的高度分布

（f）磷光体的XPS光谱

（g）PG膜的横截面SEM图像（左）和C，P元素的相应EDX映射，取自方形区域

（h）PG膜，石墨烯和磷化烯的拉曼光谱

图3 PG-MSCs和G-MSCs的电化学表征

（a，b）以（a）5-50mV s-1和（b）100-1000mV s-1的不同扫描速率获得的PG-MSCs的CV曲线

（c，d）（c）不同扫描速率下PG-MSC和G-MSC的面电容和（d）体积电容

（e）当前密度为0.3A·cm -3的PG-MSCs和G-MSCs的GCD曲线

（f）PG-MSCs和G-MSCs的复平面图

图4 PG-MSCs和PG-SSCs的灵活性比较

（a）不同弯曲状态下PG-MSCs的图片

（b）在100mV s-1下测量的相应CV曲线

（c）PG-SSCs在不同弯曲状态下的图片

（d）在100mV s-1下测试的相应CV曲线

图5 PG-MSCs的电化学性能

（a）PG-MSCs和G-MSCS的Ragone图

（b）在平坦和弯曲状态下，以0.44Acm-3获得的PG-MSCs循环2000次的循环稳定性

（c）在单个和三个连续PG-MSCs的100mV s-1处获得的CV曲线

（d）用于为发光二极管（LED）供电的三个连续PG-MSCs的照片

【总结】

本文展示了基于高品质磷光和石墨烯的掩模辅助直接图形交叉指示电极的离子液体中高能PG-MSCs的简化制造。为简化MSCs构建而提出的策略很容易扩展到石墨烯和类似的纳米片，用于灵活，安全和平面的高性能储能装置。

文献链接：One-Step Device Fabrication of Phosphorene and Graphene Interdigital Micro-Supercapacitors with High Energy Density（ACS Nano,2017,DOI:10.1021/acsnano.7b03288）